【摘要】：巖石在PDC切削齒作用下的破碎過(guò)程是一個(gè)極端復(fù)雜的瞬態(tài)過(guò)程,其不僅涉及刀具與巖石互作用過(guò)程,還包含裂紋擴(kuò)展和巖屑形成等微觀(guān)細(xì)節(jié),而目前國(guó)內(nèi)外研究方法在研究PDC齒破巖微觀(guān)細(xì)節(jié)存在一定局限性,對(duì)PDC齒作用下的巖石損傷規(guī)律的了解存在不足。而全面了解載荷作用下巖石破碎機(jī)理研究是促進(jìn)破巖理論和鉆頭設(shè)計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵,因此有必要在傳統(tǒng)切削參數(shù)研究方法上,突破傳統(tǒng)研究對(duì)瞬態(tài)破巖特征研究的難點(diǎn),對(duì)PDC齒切削過(guò)程中的巖石損傷規(guī)律和破碎過(guò)程進(jìn)行深入研究。本研究通過(guò)查閱大量文獻(xiàn),對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于刀具破巖理論研究的方法和理論成果進(jìn)行了歸納總結(jié),在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)PDC切削齒在載荷作用下受力狀態(tài)和破巖過(guò)程進(jìn)行了理論分析�；陲@式動(dòng)力學(xué)求解方法和動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型,本文對(duì)PDC齒破巖過(guò)程中巖石裂紋發(fā)展、應(yīng)力狀態(tài)、破碎模式和損傷規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)合理論研究與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性和可行性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)突破傳統(tǒng)Drucker-Prager、Morh-Coulomb本構(gòu)模型在模擬巖石損傷的限制,選擇巖石連續(xù)蓋帽模型并配合塑性損傷參數(shù)和單元侵蝕方案,建立PDC齒破巖過(guò)程的顯式有限元仿真方案。(2)基于數(shù)值模擬結(jié)果,根據(jù)巖石破碎理論觀(guān)點(diǎn)對(duì)躍進(jìn)式巖石破碎過(guò)程進(jìn)行分為裂紋萌生、切屑成核、裂紋擴(kuò)展和塊體崩裂四個(gè)階段,并對(duì)巖石損傷、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了階段性分析,進(jìn)一步總結(jié)了載荷作用下PDC破巖機(jī)理。通過(guò)建立仿真模擬,分析了切削齒間“相鄰效應(yīng)”對(duì)于巖石損傷的影響以及對(duì)PDC剪切破巖機(jī)理與結(jié)果的合理性進(jìn)行了理論驗(yàn)證。(3)研究了不同切削角度、吃入深度和巖體強(qiáng)度跟地層中的刀具受力、裂紋發(fā)展、破碎損傷模式和破巖效率的關(guān)系,通過(guò)多角度分析了不同參數(shù)對(duì)破巖效果影響規(guī)律,進(jìn)而為優(yōu)化PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供了理論根據(jù)。本文以數(shù)值模擬為研究手段,突破了研究瞬態(tài)破巖過(guò)程與損傷特征的難點(diǎn),揭示了 PDC齒作用下巖石的破碎和損傷規(guī)律,為完善和發(fā)展巖石破碎理論,提高鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

＾＾＾ａｎｕ�。幔悖簦酰睿睿�，＂？＾逡逑圖１－１邋ＰＤＣ復(fù)合片結(jié)構(gòu)與制作工藝逡逑上個(gè)世紀(jì)八十年代，國(guó)外鉆頭廠(chǎng)家在金剛石材料加入適應(yīng)化學(xué)試劑成功制作出人逡逑造聚晶金剛石，通過(guò)相關(guān)工藝手段燒制出ＰＤＣ復(fù)合片作為鉆頭切削齒［２］。出于經(jīng)濟(jì)成逡逑本和切削效率的平衡，ＰＤＣ復(fù)合片由薄層聚晶金剛石材料作為切削巖石的工作面，其逡逑厚度通常不到Ｉｍｍ，如圖１－１所示。聚晶金剛石層下面為碳化鎢材料，作為ＰＤＣ復(fù)逡逑合片支撐基體。因此ＰＤＣ復(fù)合片兼具金剛石和碳化鎢的材料特性，Ｘ作層具有高耐磨逡逑性和高硬度，支承層則具有抗沖擊性和高力學(xué)強(qiáng)度。隨著ＰＤＣ復(fù)合片加［技術(shù)的迅猛逡逑發(fā)展，使得ＰＤＣ鉆頭擁有了更氋的機(jī)械鉆速、更穩(wěn)定的定向鉆進(jìn)表現(xiàn)以及更長(zhǎng)的鉆頭逡逑壽命。逡逑１Ｃ逡逑

＾＾＾ａｎｕ�。幔悖簦酰睿睿�，＂？＾逡逑圖１－１邋ＰＤＣ復(fù)合片結(jié)構(gòu)與制作工藝逡逑上個(gè)世紀(jì)八十年代，國(guó)外鉆頭廠(chǎng)家在金剛石材料加入適應(yīng)化學(xué)試劑成功制作出人逡逑造聚晶金剛石，通過(guò)相關(guān)工藝手段燒制出ＰＤＣ復(fù)合片作為鉆頭切削齒［２］。出于經(jīng)濟(jì)成逡逑本和切削效率的平衡，ＰＤＣ復(fù)合片由薄層聚晶金剛石材料作為切削巖石的工作面，其逡逑厚度通常不到Ｉｍｍ，如圖１－１所示。聚晶金剛石層下面為碳化鎢材料，作為ＰＤＣ復(fù)逡逑合片支撐基體。因此ＰＤＣ復(fù)合片兼具金剛石和碳化鎢的材料特性，Ｘ作層具有高耐磨逡逑性和高硬度，支承層則具有抗沖擊性和高力學(xué)強(qiáng)度。隨著ＰＤＣ復(fù)合片加［技術(shù)的迅猛逡逑發(fā)展，，使得ＰＤＣ鉆頭擁有了更氋的機(jī)械鉆速、更穩(wěn)定的定向鉆進(jìn)表現(xiàn)以及更長(zhǎng)的鉆頭逡逑壽命。逡逑１Ｃ逡逑
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TE21

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2675618